Der ultimative GVO: Hefe mit vollständig künstlichen Chromosomen

Das umfangreichste (quantitativ und qualitativ) Experiment zur Genmodifikation eines eukaryotischen Organismus wird fortgesetzt.

Eine internationale Gruppe von mehr als 200 Wissenschaftlern veröffentlichte in der Zeitschrift Science die neuesten Ergebnisse des Synthetic Yeast Project (Sc2.0) , dessen letztendliches Ziel darin besteht, Bäckerhefe mit einem vollsynthetischen Genom herzustellen . Gegenwärtig wurden 6 Chromosomen synthetisiert, die ihre natürlichen Gegenstücke ersetzten. Die resultierenden Saccharomyces cerevisiae-Organismen sind ziemlich lebensfähig und weisen mehrere vorbestimmte komplexe Designeigenschaften auf.

Eukaryoten - "normale Kernorganismen" - Organismen, bei denen das genetische Material in einer separaten Organelle eingeschlossen ist, die von einer Membranmembran umgeben ist, - dem Kern. Vereinfacht ausgedrückt sind alle Lebewesen, die keine Bakterien sind (sie haben keinen Kern), Eukaryoten. Hefe ist ein beispielhafter eukaryotischer Organismus sowohl für einen normalen Menschen (denken Sie daran, wie Brot und Bier hergestellt werden) als auch für einen Biotechnologen. Als sogenannter Modellorganismus besitzt Hefe die besten Eigenschaften, um die grundlegenden Prozesse des eukaryotischen Zelllebens zu untersuchen. Kein Wunder ist die Wahl des Körpers durch das Sc2.0-Team für solche beispiellosen Interventionen.

Das vom Team erklärte grundlegende Konstruktionsprinzip des neuen Genoms besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen der Beibehaltung des Phänotyps „Wildarten“ (äußere Merkmale der natürlichen Variante der S288C-Unterart), der Einführung einer induzierten genomischen „Motilität“ und der Beseitigung genomischer Instabilitätsquellen zu erreichen.



Chromosomen zur Synthese von Unterbefehlen

Die Erhaltung des Phänotyps wird durch die Erhaltung der Gene selbst erreicht. Sie beschlossen, ihre Reihenfolge und Anzahl auf den Chromosomen mit Ausnahme bestimmter wichtiger spezifischer Gruppen nicht zu ändern.

Die Induktion der genomischen „Mobilität“ wird durch das SCRaMbLE-Rekombinationssystem erreicht, das Chromosomenregionen mischt, wenn ein spezifisches Signal an loxPsym-Regionen angelegt wird, die speziell an strategischen Stellen in das Genom eingeführt wurden. Dies ermöglicht die Simulation eines der globalen „großen“ Evolutionsmechanismen auf der Skala des gesamten Genoms. Gleichzeitig versuchten die Wissenschaftler, eine so große Quelle der genomischen Evolution wie mobile Elemente zu entfernen, die sich unter bestimmten Bedingungen mit unvorhersehbaren Ergebnissen „kopieren, einfügen“ oder „katpastieren“. Wir können sagen, dass Wissenschaftler die Makroevolution des Hefegenoms aus den Händen des Zufalls in ihre eigenen genommen haben.

Andere Änderungen am Code selbst umfassen die Zuordnung von Transfer-RNA-Genen zu einem separaten Neochromosom, die Entfernung vieler Introns, die Aufnahme spezieller Tags in das Genom zur Erleichterung der Unterscheidung von synthetischen und natürlichen Chromosomen in Zellen und die Aufnahme spezieller Abschnitte zur Vereinfachung der Chromosomenassemblierung. Der durchschnittliche Abstand zwischen den Regionen, die das synthetische Genom vom natürlichen unterscheiden, ist gering - etwa 400 Basenpaare DNA.

Die Synthese fand trotz ihres Revolutionismus nicht von Grund auf statt, sondern durch Entfernen und Anbringen neuer Regionen an den natürlichen Chromosomen (hierarchische Rekombination). Um den Prozess zu beschleunigen, wurden verschiedene Chromosomen für die Synthese von Unterbefehlen in verschiedenen Ländern zugewiesen. Der Aufbau mehrerer künstlicher Chromosomen in einer Zelle erfolgt ebenfalls hierarchisch.

Mit Methoden der Phänotypisierung, der strukturellen und funktionellen Genomik waren die Wissenschaftler von der normalen Funktionsweise synthetischer Hefen überzeugt. Eine dieser Methoden zur Überwachung des Projekterfolgs ist die Kontaktanalyse von Chromosomen. Die moderne Hi-C-Methode ermöglicht es, die innere Struktur des Kerns zu analysieren, indem die Wahrscheinlichkeiten von Chromosomenkontakten untereinander und untereinander in verschiedenen Bereichen berechnet werden. Die dreidimensionale Version einer solchen Visualisierung zeigte deutlich, dass künstliche Chromosomen trotz ihrer Verkürzung (Introns entfernt) und Designer-Inserts Positionen im Kern einnehmen, die ihren natürlichen Gegenstücken ähnlich sind. In der folgenden Abbildung ist jedes Chromosom ein Paar von Zweigen unterschiedlicher Länge, die an einem bestimmten Punkt entlang seiner Länge hängen - dem Zentromer (weiße Kreise oben auf A). Künstliche Chromosomen, die auf B, C und D farblich hervorgehoben sind, entsprechen in Position und Ausrichtung im Allgemeinen eindeutig ihren Gegenstücken auf A. Es sollte beachtet werden, dass diese Visualisierung genau die über Milliarden von Zellen gemittelte Wahrscheinlichkeit ist, so dass nicht die „Positionen“ der Zweige gezeigt werden, sondern etwas, das mit dem Quadrat des psi-Funktionsmoduls in der Quantenmechanik entfernt assoziiert ist.



Die Montagearbeiten wurden und werden „von unten nach oben“ durchgeführt, mit vollständiger Computermodellierung, schrittweiser Synthese von Abschnitten mit anschließendem Debugging. Im Moment ist das Team nicht auf schwerwiegende grundlegende Fehler gestoßen, die die Möglichkeit eines Projekts oder die theoretischen Grundlagen des Designs in Frage stellen würden.

Synthetic Yeast Project - der bis heute bedeutendste "Schöpfungsakt" eines lebenden Menschen. Hefe wird jetzt nicht nur zum am besten untersuchten Eukaryoten, sondern auch zum Drehpunkt, dank dessen Sie durch Schaffen lernen können. Das Buch des Lebens kann kaum verstanden werden, ohne zu versuchen, es zu schreiben.

Das Team plant, die Montage der Karosserie bis Ende 2017 abzuschließen.